馬 南，錢瑞雪，楊慧敏，陳智文，蔣云峰

(吉林師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院，吉林 四平 136000)

隨著人們保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源、發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)意識(shí)的提高，保護(hù)性耕作越來(lái)越受到重視。通過(guò)少耕、免耕、地表微地形改造及地表覆蓋等措施可以增加土壤有機(jī)質(zhì)、改善土壤結(jié)構(gòu)、減少土壤侵蝕，達(dá)到生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益三者協(xié)調(diào)發(fā)展的目的[1]。免耕和秸稈留茬還田是保護(hù)性耕作的兩種措施[2-3]：免耕技術(shù)避免了機(jī)械對(duì)土壤的壓實(shí)和耕作對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的破壞，改善了土壤物理性狀；秸稈留茬還田是在收割農(nóng)作物時(shí)，秸稈留茬一定高度，其余切碎均勻鋪撒在農(nóng)田表面，可起到防風(fēng)蝕保水分、疏松土壤、增加有機(jī)質(zhì)、改良土壤理化性狀等作用。

中小型土壤動(dòng)物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，是土壤生態(tài)系統(tǒng)中重要的消費(fèi)者和分解者[4-5]，通過(guò)生存、攝食和活動(dòng)不僅可以促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化、有機(jī)物質(zhì)的歸還，還可維持土壤結(jié)構(gòu)[6]，提高植物對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的有效利用。中小型土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)量大，世代更替快，具有對(duì)環(huán)境變化響應(yīng)敏感等特點(diǎn)，可作為判斷土壤環(huán)境變化的重要指標(biāo)[4]。近幾年，隨著土壤動(dòng)物生態(tài)學(xué)和農(nóng)田土壤可持續(xù)利用研究的深入，有關(guān)土壤動(dòng)物對(duì)耕作方式響應(yīng)的研究逐漸受到關(guān)注。國(guó)內(nèi)已有的關(guān)于保護(hù)性耕作對(duì)土壤動(dòng)物群落影響的研究多是基于免耕秸稈覆蓋條件[7-8]，而對(duì)免耕秸稈留高茬還田方式的研究則相對(duì)較少?；诖?，本文以中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所設(shè)置在吉林省梨樹(shù)縣的保護(hù)性耕作研發(fā)基地為研究區(qū)，分析中小型土壤動(dòng)物對(duì)免耕和秸稈留高茬還田的響應(yīng)特征，以期為保護(hù)黑土區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性和完善耕地可持續(xù)利用管理提供土壤動(dòng)物學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)樣地概況

圖1 2015年梨樹(shù)縣各月降水量及平均氣溫Fig.1 Mean temperature and total precipitation monthly in Lishu County in 2015

試驗(yàn)設(shè)在中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所梨樹(shù)縣保護(hù)性耕作研發(fā)基地(43°19′N，124°14′E)。該地區(qū)屬溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫6.9 ℃，最熱月為7月，月均溫23 ℃，最冷月為1月，月均溫-13.5 ℃。年平均降水量614 mm，主要集中在6—9月，占全年降水量的65%。試驗(yàn)當(dāng)年(2015年)月均溫和月累計(jì)降水量如圖1所示，基本與常年氣溫及降水持平。研究區(qū)土壤類型為中層黑土，壤質(zhì)黏土。樣地自2007年4月開(kāi)始建立，至2015年4月取樣，已布設(shè)8 a。該基地建立前，經(jīng)歷了多年的以玉米連作為主的常規(guī)耕作。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)小區(qū)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置3種處理：免耕(NT)，秸稈留高茬(SS)，常規(guī)耕作(CT)。每種處理3個(gè)重復(fù)，共9個(gè)小區(qū)，每小區(qū)規(guī)格8.7 m×30 m。免耕處理除播種外全年不擾動(dòng)土壤；秸稈留高茬處理在秋季收獲時(shí)，秸稈留茬50 cm；常規(guī)耕作處理為對(duì)照，秋季收獲留茬15 cm，剩余秸稈全部移出地表，起壟作業(yè)，除播種、施肥外，不再擾動(dòng)土壤，壟高15 cm，壟距60 cm。3種處理施肥總量相同，免耕所需化肥在播種時(shí)通過(guò)免耕播種機(jī)直接施入。免耕和常規(guī)耕作氮肥施用量為234 kg·hm-2，磷(P2O5)肥和鉀(K2O)肥施用量均為108 kg·hm-2。2015年分3次(4月、7月、10月)對(duì)各樣地取樣，測(cè)得的土壤含水率如表1所示。

1.3 試驗(yàn)方法

于2015年4月、7月和10月，在免耕、秸稈留高茬和常規(guī)耕作樣地上進(jìn)行中小型土壤動(dòng)物取樣。每個(gè)小區(qū)內(nèi)按對(duì)角線選3個(gè)取樣點(diǎn)，取樣面積10 cm×10 cm，分為0～5、5～10、10～15 cm 3層取樣。采集到的土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，利用Tullgern方法收集中小型土壤動(dòng)物樣品，得到的中小型土壤動(dòng)物樣品保存在75%(體積分?jǐn)?shù))乙醇溶液中，顯微鏡觀察，依據(jù)《中國(guó)土壤動(dòng)物檢索圖鑒》[9]、《昆蟲(chóng)學(xué)》[10]進(jìn)行分類鑒定。

表1 各處理樣地土壤含水率Table 1 Soil moisture content of samplings

1.4 數(shù)據(jù)處理

將獲得的中小型土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)量換算成密度(只·m-2)，并按各類群密度占總密度的比例劃分優(yōu)勢(shì)度，10%以上為優(yōu)勢(shì)類群，1%～10%為常見(jiàn)類群，1%以下為稀有類群。中小型土壤動(dòng)物群落分析主要選擇Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)、Margalef豐富度指數(shù)(D)、Pielou均勻度指數(shù)(E)。

參照Wardle[11]討論主要土壤動(dòng)物類群對(duì)不同耕作方式的響應(yīng)，計(jì)算公式如下：

V=2MCT/(MCT+MNT)-1。

(1)

式(1)中MCT和MNT分別表示某種類土壤動(dòng)物在常規(guī)耕作和保護(hù)性耕作(免耕或秸稈留高茬)條件下的豐富度。當(dāng)V=-1時(shí)，動(dòng)物只在保護(hù)性耕作條件下出現(xiàn)；當(dāng)V=1時(shí)，動(dòng)物只在常規(guī)耕作條件下出現(xiàn)；當(dāng)V<-0.67時(shí)，動(dòng)物受耕作重度抑制；當(dāng)-0.670.67時(shí)，動(dòng)物受耕作重度激發(fā)。

采用單因素方差分析(ANOVA)對(duì)各處理間不同取樣時(shí)期土壤樣品中的中小型土壤動(dòng)物群落特征差異進(jìn)行分析，對(duì)有顯著差異的數(shù)據(jù)采用Duncan法進(jìn)行多重比較。對(duì)不服從正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，利用lg(x+1)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。所有數(shù)據(jù)處理和分析過(guò)程在SPSS 17.0和Excel 2016軟件平臺(tái)上進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤動(dòng)物群落組成及數(shù)量特征

在3種處理樣地中，共獲取中小型土壤動(dòng)物18 309只，隸屬于2門6綱16目(表2)。3種處理樣地中小型土壤動(dòng)物類群組成不同：CT獲土壤動(dòng)物21類，優(yōu)勢(shì)類群為甲螨、球角跳科和革螨，常見(jiàn)類群為等節(jié)跳科、擬亞跳科、輻螨和線蚓，稀有類群為長(zhǎng)角跳科、鋏尾蟲(chóng)科等14類；SS獲土壤動(dòng)物26類，優(yōu)勢(shì)類群為甲螨、球角跳科和等節(jié)跳科，常見(jiàn)類群為革螨和擬亞跳科；稀有類群為輻螨、線蚓、長(zhǎng)角跳科等21類；NT獲土壤動(dòng)物24類，優(yōu)勢(shì)類群為甲螨和球角跳科，常見(jiàn)類群為等節(jié)跳科、革螨、擬亞跳科和輻螨，稀有類群為線蚓、長(zhǎng)角跳科、鋏尾蟲(chóng)科等18類。

2.2 中小型土壤動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)特征比較

對(duì)3種處理的土壤動(dòng)物個(gè)體密度、類群豐富度、多樣性和均勻度指數(shù)進(jìn)行方差分析(圖2)。結(jié)果顯示，土壤動(dòng)物個(gè)體密度4月SS處理顯著(P<0.05)高于CT和NT處理，7月和10月NT高于其他處理，但差異未達(dá)到顯著性水平。Margalef豐富度指數(shù)(D)，4月NT顯著(P<0.05)高于其他處理，7月SS顯著(P<0.05)高于NT，但與CT無(wú)顯著差異，10月各處理間無(wú)顯著差異。Shannon-Wiener指數(shù)(H′)與Pielou均勻度指數(shù)(E)，各處理均表現(xiàn)為4月NT顯著(P<0.05)高于SS，與CT差異不顯著，7月SS顯著(P<0.05)高于CT和NT，10月各處理間無(wú)顯著差異。由以上分析可知，4月秸稈留高茬處理相對(duì)提高了土壤動(dòng)物的密度，7月秸稈留高茬提高了土壤動(dòng)物的豐富度、多樣性和均勻度。

2.3 主要土壤動(dòng)物類群的變化

本研究中，甲螨、革螨、輻螨、彈尾目、鞘翅目和線蚓的個(gè)體數(shù)量占總個(gè)體數(shù)的99.34%，據(jù)此將其選為主要土壤動(dòng)物類群。其中，彈尾目包括球角跳科、等節(jié)跳科、擬亞跳科、圓跳科和長(zhǎng)角跳科，鞘翅目包括擬步甲科、步甲科、金龜子科、金龜子科幼蟲(chóng)、小蠹科、蟻甲科、隱翅蟲(chóng)科、隱翅蟲(chóng)科幼蟲(chóng)、露尾甲科幼蟲(chóng)、步甲科幼蟲(chóng)、叩甲科幼蟲(chóng)、出尾蕈甲科。方差分析結(jié)果顯示，除鞘翅目外(圖3)，各類土壤動(dòng)物的個(gè)體密度在3種處理間均具有顯著差異(P<0.05)。甲螨4月份SS顯著(P<0.05)高于CT和NT，7月和10月NT高于其他處理，但差異不顯著；革螨4月SS顯著(P<0.05)高于NT；輻螨10月CT顯著(P<0.05)高于SS，但與NT無(wú)顯著差異；彈尾目10月SS和NT顯著(P<0.05)高于CT；線蚓10月NT顯著(P<0.05)高于CT和SS。整體來(lái)看，相對(duì)于常規(guī)耕作，免耕或秸稈留高茬處理有效增加了各類土壤動(dòng)物的個(gè)體數(shù)量，甲螨、彈尾和線蚓具有明顯的季節(jié)變化，它們?cè)诟魈幚碇械淖罡咧稻霈F(xiàn)在10月。

表2 各處理樣地中小型土壤動(dòng)物的群落組成Table 2 List of taxa，mean abundance and percentage of soil meso-microfauna collected at every plot

2.4 主要土壤動(dòng)物類群對(duì)不同耕作方式的響應(yīng)

利用V值分析主要?jiǎng)游镱惾簩?duì)免耕和留茬耕作的響應(yīng)(圖4)。相對(duì)CT：4月除輻螨和鞘翅目外，SS有效增加了各類中小型動(dòng)物的個(gè)體數(shù)量(V<0)，而NT僅增加了輻螨和線蚓的數(shù)量；7月NT和SS分別增加了甲螨和鞘翅目，彈尾和線蚓的個(gè)體數(shù)量；10月除輻螨和SS處理下的線蚓外，NT和SS增加了各類土壤動(dòng)物的數(shù)量。由此可見(jiàn)，相對(duì)于CT，SS和NT增加了主要土壤動(dòng)物的個(gè)體數(shù)量，主要土壤動(dòng)物類群對(duì)免耕和秸稈留高茬的響應(yīng)具有季節(jié)變化。

同一月份不同處理間無(wú)相同小寫(xiě)字母或同一處理不同月份間無(wú)相同大寫(xiě)字母的表示差異顯著(P<0.05)。下同。Different treatments in the same time or the same treatment in different time marked by no same lowercase or uppercase letters indicated significant difference at P<0.05. The same as below.圖2 各處理樣地中小型土壤動(dòng)物的個(gè)體密度、類群豐富度、多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)Fig.2 Density，group richness and diversity of soil meso-microfauna communities across every plot sampling sites

圖3 各處理樣地主要土壤動(dòng)物的個(gè)體密度Fig.3 Density of major soil meso-microfauna communities across every plot sampling sites

圖4 各處理主要土壤動(dòng)物類群的V值Fig.4 Comparison of V values of major groups of soil fauna under SS and NT treatments

3 討論

本研究顯示，免耕和秸稈留高茬處理提高了中小型土壤動(dòng)物的個(gè)體密度和多樣性。各處理樣地中小型動(dòng)物季節(jié)變化比較明顯。保護(hù)性耕作條件下，土壤中較高的有機(jī)質(zhì)含量為土壤動(dòng)物提供了豐富的食物來(lái)源，加之穩(wěn)定的生存環(huán)境，都成為土壤動(dòng)物生存和繁殖的重要條件，在一定程度上促進(jìn)了土壤動(dòng)物的生存和發(fā)展。

耕作是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的重要措施之一。耕作方式的改變會(huì)引起農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤環(huán)境的改變，進(jìn)而影響土壤動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)[12-13]。與常規(guī)耕作相比，保護(hù)性耕作可增加土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體[14]，減少土壤溫度波動(dòng)，增加土壤含水率[15-16]，這些變化都有利于土壤動(dòng)物的生存，提高土壤動(dòng)物數(shù)量和多樣性，穩(wěn)定群落結(jié)構(gòu)[17]。在本研究中，相對(duì)于常規(guī)耕作，玉米秸稈留高茬和免耕處理增加了土壤動(dòng)物的個(gè)體密度、類群豐富度和多樣性，尤其是秸稈留高茬處理的土壤動(dòng)物的類群豐富度和多樣性高于其他處理。這可能是由于秸稈留高茬處理不僅減少了對(duì)土壤的擾動(dòng)，而且為土壤動(dòng)物提供了穩(wěn)定、多樣的環(huán)境和豐富的食物來(lái)源[18]，適合多種土壤動(dòng)物的生存和繁殖。

不同處理對(duì)中小型土壤動(dòng)物群落的影響存在明顯的季節(jié)變化。研究區(qū)屬于溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，氣溫和降水季節(jié)變化明顯。4月溫度較低，降水較少，氣候干燥，秸稈留高茬可降低地表土壤的風(fēng)蝕[18]，減少水分蒸發(fā)，增加有機(jī)物質(zhì)來(lái)源[19]，其中SS處理土壤動(dòng)物的個(gè)體密度顯著高于其他處理樣地。7月溫度升高，降水增多，秸稈留高茬樣地土壤表面被秸稈覆蓋，可以攔截部分雨水并儲(chǔ)存在秸稈中，并減少土壤水分的蒸發(fā)，增加土壤水分。此外，豐富的玉米秸稈和雜草物質(zhì)不僅為土壤動(dòng)物提供了多樣的生境，而且提供了食物來(lái)源，利于多種土壤動(dòng)物的生存與發(fā)展。10月溫度降低，蒸發(fā)量少，土壤水分含量較高，為對(duì)水分依賴較高的土壤動(dòng)物，如線蚓類，提供了良好的生存環(huán)境，其數(shù)量明顯增多，提高了中小型土壤動(dòng)物的整體密度。

不同土壤動(dòng)物類群對(duì)處理方式及季節(jié)變化的響應(yīng)存在差異。甲螨數(shù)量在各處理樣地均為優(yōu)勢(shì)類群，尤其是7月和10月免耕處理中數(shù)量最多，這可能由于免耕處理為其生存提供了相對(duì)穩(wěn)定的生境和食物來(lái)源，但輻螨的數(shù)量則在受擾動(dòng)的常規(guī)處理中較多，具體原因有待于進(jìn)一步研究。10月份溫度開(kāi)始降低，秸稈留高茬和免耕處理土壤水分含量較高，受水分因素影響較大的類群，如彈尾類[20-22]和線蚓個(gè)體密度顯著增高，且秸稈留高茬處理土壤中被微生物分解腐爛后的植物殘茬又為腐食性線蚓的生存和繁殖提供了有利的條件。鞘翅目在7月和10月個(gè)體密度較高，并多出現(xiàn)在秸稈留高茬和免耕處理中，與土壤環(huán)境穩(wěn)定及食物資源豐富有關(guān)，且占鞘翅目比重較高的步甲科具有冬眠的特性，而隱翅蟲(chóng)能夠適應(yīng)較低的溫度[23]，這也提高了10月份鞘翅目的數(shù)量。

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